■接触熱抵抗とは何か
二つの固体を重ねる。
見た目には全面が接触しているように見える。
しかし表面を拡大すると、完全な平面ではない。
金属。
樹脂。
半導体パッケージ。
冷却プレート。
どの表面にも微細な凹凸がある。
そのため実際には、
接触している部分。
接触していない部分。
が存在する。
接触していない部分には空気が残る。
この空気層が熱を流れにくくする。
つまり接触熱抵抗とは、簡単に言えば、
二つの部材が完全には接触していないことによって生まれる熱の抵抗 である。
■■見た目が密着していても、熱的には密着していない
人の目で見ると、
きれいに貼れている。
隙間も見えない。
しかし熱の世界では、数十μmの空間でも意味を持つことがある。
特に、
● 表面粗さ
● 反り
● 微小段差
● 異物
● 気泡
があると、実際の接触面積は小さくなる。
つまり、
外観上の密着と、熱的な密着は同じではない。
ここが熱対策の難しいところである。
■なぜTIMが必要なのか
TIMの役割は、単に「熱伝導率の高い材料を間に入れること」ではない。
むしろ重要なのは、
表面の凹凸や隙間を埋めること
である。
例えば、
半導体
↓
TIM
↓
ヒートシンク
という構造を考える。
TIMがなければ、半導体とヒートシンクの間に微細な空気層が残る。
TIMが表面凹凸へ追従し、その隙間を埋めることで、実際の接触面積が増える。
つまりTIMは、
熱を伝える材料であると同時に、接触を作る材料
■熱伝導率が高くても、硬すぎれば性能が出ない
例えば、非常に高い熱伝導率を持つTIMがある。
しかし材料が硬い。
一方、発熱部品やヒートシンクにはわずかな反りがある。
この場合、TIMが表面へ追従できない。
すると、
中央だけ接触。
外周は浮いている。
という状態になる可能性がある。
材料自体の熱伝導率は高い。
しかし実際に熱が入る面積が小さい。
その結果、期待したほど温度が下がらない。
つまり熱対策では、
材料の熱伝導率と、界面への追従性をセットで考える 必要がある。
■0.1mmの浮きが大きな意味を持つ
機械部品として見ると、0.1mmは小さな寸法に見える。
しかしTIMの厚みが0.2mm程度しかない構造で、さらに0.1mmの浮きが生じれば、その影響は非常に大きい。
例えば、
本来TIMが全面接触する設計だった。
しかし一部に0.1mmの反りがある。
その部分ではTIMが十分に圧縮されない。
空気層が残る。
結果として局所的な熱抵抗が増える。
つまり、
部品全体から見ればわずかな0.1mmでも、熱界面から見れば非常に大きな寸法 なのである。
これは6章で扱った「0.1mmの浮きが熱性能を壊す理由」と同じ現象を、
失敗事例の視点から見たものである。
■気泡は小さな断熱層になる
TIMや粘着材を貼り合わせるとき、気泡が入ることがある。
見た目には小さな気泡でも、その部分ではTIMではなく空気が存在する。
すると熱がその場所を避けて流れる。
気泡が一か所だけなら影響は小さいかもしれない。
しかし発熱の大きなホットスポット直上に気泡があれば、温度への影響は大きくなる。
つまり重要なのは、
気泡の数だけではなく、どこに気泡があるか である。
■気泡率だけでは評価できない
例えば、
全面積の1％に気泡がある。
数字だけを見ると小さく見える。
しかし、その1％が発熱源の真上に集中していた場合と、低発熱部に分散している場合では意味が違う。
そのため熱対策部材の評価では、
「気泡率何％」
だけではなく、
● 気泡位置
● 気泡サイズ
● 発熱源との位置関係
まで考える必要がある。
■異物も接触抵抗を増やす
接触面に小さな異物が入る。
すると、その異物を中心に部材が浮く場合がある。
例えば非常に薄いフィルムの上に、数十μmの異物がある。
その異物自体は小さい。
しかし周囲を含めると、より広い範囲が浮く可能性がある。
つまり異物の問題は、
異物そのものの面積だけではない。
その異物によって、周囲の接触状態まで変わることがある。
半導体や精密電子機器では、異物管理が熱性能にも関係する。
■表面粗さも熱性能に影響する
金属表面は、一見鏡のように平らでも、微細な凹凸が存在する。
表面が粗いほど、固体同士が直接接触する面積は小さくなる。
TIMが柔らかければ、その凹凸を埋めやすい。
しかし硬い材料では、凹部まで十分に入り込めないことがある。
つまりTIMの選定では、
材料単体だけでなく、
相手材の表面状態
も重要になる。
■圧力を上げれば接触抵抗は小さくなる場合がある
二つの部材を強く押し付ければ、
● 接触点が増える
● TIMが凹凸へ入り込む
● 気泡が減る
● TIM厚みが小さくなる
ことで、熱抵抗が下がる場合がある。
だからTIMの評価では、測定時の圧力条件が重要になる。
しかし実際の製品では、自由に圧力を上げることはできない。
基板が曲がる。
チップが破損する。
筐体が変形する。
ボルト荷重が増える。
そのため重要なのは、
実際の組立圧力で性能が出るか
である。
■カタログ試験と実機の圧力が違う
例えば材料メーカーの試験では、高い圧力をかけた状態で熱性能を測定しているとする。
一方、実際の製品ではその半分の圧力しかかけられない。
この場合、実機ではTIMが十分に圧縮されず、カタログと同じ性能が出ない可能性がある。
つまり材料比較では、
熱伝導率だけでなく、
どの圧力条件で測定された性能なのか
を見る必要がある。
■厚みばらつきも接触状態を変える
TIMの厚みが、
0.20mm。
0.22mm。
0.18mm。
とばらついているとする。
単体ではわずかな違いに見える。
しかし複数部材を積層すると、この厚み差が積み重なる。
例えば、
TIM
＋
絶縁フィルム
＋
粘着材
＋
ヒートスプレッダー
という構造では、各材料の公差が最終的な圧縮量へ影響する。
つまり、
TIM単体の公差だけではなく、積層構造全体の公差累積
を見る必要がある。
■反りによって圧力が偏る
半導体パッケージや冷却プレートが反っている場合、ボルトで締結しても圧力は均一にならない。
中央だけ圧力が高い。
四隅が浮く。
一辺だけ強く接触する。
こうした状態になることがある。
するとTIMの圧縮量も均一ではなくなる。
熱抵抗も場所によって変わる。
つまり、
接触圧力の均一性が、温度分布の均一性につながる
場合がある。
■締結方法も熱性能を変える
同じTIM。
同じヒートシンク。
同じ半導体。
でも、
ボルト4本。
ボルト6本。
クランプ。
ばね。
など、固定方法が変われば接触圧力分布も変わる。
つまり熱対策部材の性能は、材料だけでなく、
機械的な固定設計
にも影響される。
ここは、熱設計と機械設計を切り離せない部分である。
■粘着材は固定には便利だが、界面を増やす
TIMやグラファイトを固定するために、粘着材を追加する場合がある。
これは組立には便利である。
しかし、
発熱体
↓
粘着層
↓
TIM
↓
粘着層
↓
冷却部材
という構造になれば、熱が通過する界面が増える。
つまり粘着材を追加すると、
● 熱抵抗
● 界面数
● 厚み
が増える可能性がある。
そのため、
固定方法と熱性能は同時に考える
必要がある。
■全面粘着が常に正解とは限らない
部材をしっかり固定するため、全面に粘着材を入れたくなる。
しかし熱源直上に粘着層が追加されることで、熱抵抗が増える可能性がある。
用途によっては、
● 外周だけ粘着する
● 一部だけ仮固定する
● 熱源直上を避ける
といった部分粘着の方が有効な場合もある。
つまり、
どこに粘着材を置くかも熱設計
なのである。
■前編のまとめ
ここまで見てきたのは、材料そのものの性能ではない。
材料と材料の「間」で何が起きているか である。
表面には微細な凹凸がある。
反りがある。
異物が入る。
気泡が残る。
厚みにはばらつきがある。
圧力は均一にかからない。
その結果、
見た目には密着していても、熱的には密着していない という状態が生まれる。
熱伝導率を3W/m・Kから8W/m・Kへ上げても、
材料が硬くて追従できなければ、温度は下がらない。
TIMの性能は「何W/m・Kか」だけでなく、
どの圧力条件で測定された値なのか まで見る必要がある。
だから、
固定のために入れた粘着材が、界面を増やして熱抵抗を上げることもある。
接触熱抵抗は、材料選定の問題であると同時に、
機械設計と工程設計の問題 でもある。
後編では、この接触の問題が、
実際の製品でどう表れるかを見ていく。
グラファイト。
ベイパーチャンバー。
液冷。
EVバッテリー。
高性能な冷却技術になるほど、界面が最後のボトルネックになる。
さらに、
時間とともに変化する接触状態。
試作では良くても量産で悪化する理由。
実際の失敗事例。
そして、加工会社として何ができるのか。
コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。
※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません
